本发明专利技术涉及一种形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，包括将具有多个阵元的阵列天线等效为壳单元，然后采用有限元法得到所述共形阵列天线在载荷作用下的实际形变曲线表达式，并将所述的形变曲线拉伸为变形曲面，从而建立所述变形曲面下的共形天线阵元和阵列的形变模型，得到所述共形阵列天线的形变天线方向图的步骤、将所述的共形阵列天线的形变分解为阵元自身的形变、旋转以及位置的平移，从阵元以及阵列的角度建立形变与阵列天线电性能的数理关系模型，从而快速评估形变阵列天线的方向图的步骤；通过本发明专利技术拟合出来的方向图的波束指向与仿真的结果一致，估算公式可快速建模，大大缩短了估算时间，达到了快速评估的效果。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及共形天线技术，尤其涉及微带贴片天线方向图的快速估算。
技术介绍
1、共形阵列天线它是一种与载体平台结构一致的新型天线结构形式，既具有结构承载的功能，又具有电磁信号收发能力。共形阵列天线扫面范围更广，体积小，适应性强，能够满足未来高性能装备的隐身化、多功能化、智能化和高机动性等要求。由于其可实现与载体的高度融合，故已经广泛地应用于雷达、通信等各个领域，作为飞艇、机翼等蒙皮结构。它将直接承受振动、冲击等环境载荷的作用。对于飞行器而言，环境载荷在整个服役过程是始终存在的，因此共形天线的结构形变不可避免。但是天线结构对几何精度要求较高，通常需要满足1/16～1/32波长，当共形天线受到振动或者环境载荷等影响发生形变，相应的天线增益、副瓣、指向以及稳定性等电性能也会发生变化，最终会影响天线在飞行器上的应用。因此通过探索服役过程中形变对天线电性能的影响机理，基于此预测对天线电性能的影响并研究波束补偿技术来抵消该影响变得尤为重要。
2、西安电子科技大学的电子装备结构教育部重点实验室分析了环境载荷、阵元安装误差引起的结构变形对阵列天线辐射性能的影响。上述研究是针对平面阵列天线开展的，而当与飞行器共形的曲面结构功能一体化天线作为飞行器承载结构的一部分，风荷、高温、低温、冲击、振动等工作载荷引起天线的结构变形更加复杂，其对天线电性能的影响更加剧烈。而阵元位置发生偏移，导致增益下降、方向性变差、波束指向偏移等问题，严重制约了结构功能一体化天线优良性能的实现。因此，必须深入研究环境载荷对结构功能一体化天线性能的影响。
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p>3、同时，为了解决既考虑阵元变形又考虑阵列变形对共形阵列天线电性能影响的问题，本申请人提供了一种专利号为202110372286.6，专利名称为弧度变形的共形微带贴片天线方向图快速估算方法是基于弧度的快速评估方法，而该技术仅仅考虑到了较为均匀的阵元和阵列弧线变形，并未考虑不同位置的阵元在变形后，会形成多种不同种类的形变，如果仍采用该技术，显然估算出的方向图是不准确的。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于避免现有技术的不足提供一种能够考虑不同位置的阵元在变形后，形成的多种不同种类的形变曲线对阵列整体形变的影响，模拟天线形变的同时分析形变后的天线的电性能，并建立形变与电性能之间的数学关系模型，即形变共形阵列天线的方向图快速估算方法。
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，包括以下步骤：
3、步骤一、在电磁仿真软件中，建立共形阵列天线坐标系，并在所述的坐标系中建立所述共形阵列天线的模型，然后，在有限元分析软件中对共形阵列天线的模型进行沿x轴向的受力分析，从而获得天线形变；
4、将所述形变共形阵列天线划分并等效为壳单元，并采用有限元法提取形变壳单元的节点坐标和节点总个数，然后，使用最小二乘法将壳单元的多个节点坐标拟合为曲线，从而得到所述共形阵列天线的形变曲线公式，并绘制形变曲线，将所述的形变曲线拉伸，即得到变形曲面；从而在电磁仿真软件中得到所述共形阵列天线形变后的电磁分析模型；
5、步骤二、以所述的形变曲线作为二次曲线，并建立二次曲线平面，在平面中所述二次曲线旋转或者平移后与x轴相交的曲线段即是不同形变的阵元形变曲线，从而建立发生不同程度形变的阵元曲面；
6、然后，基于共形阵列天线形变后的电磁分析模型和阵元自身的e面方向图表达式，通过量纲分析法确定不同程度形变阵元的e面方向图电参数的经验公式，进而得到不同程度形变阵元与阵元电性能之间的快速估算公式，而后基于电磁场叠加原理，建立了形变共形阵列天线电性能的快速评估模型，实现对形变共形阵列天线的方向图快速估算。
7、进一步的，在步骤一之前还包括：根据给定的工作频率，选取所述共形阵列天线的阵元为微带贴片天线，计算共形阵列天线的尺寸，并根据计算得到的尺寸进而所述共形阵列天线的模型及形变模型。
8、进一步的，所述共形阵列天线尺寸计算步骤具体为：
9、选取天线的工作频率f，根据计算公式(1)计算出阵元的金属辐射贴片长l和贴片宽w:
10、
11、式中c是光速，f是选定的阵列天线工作频率,εr是相对介电常数，δl是等效辐射缝隙长度，δl的计算公式(2)为：
12、
13、εe是有效介电常数，εe的计算公式(3)为：
14、
15、通过上述公式，得出所述阵元的金属辐射贴片长和宽，则阵元的介质板长lt和宽wt选取为贴片长和宽的2倍，表示为：
16、
17、通过阵元排布方式和所述阵元介质板的尺寸，即得到所述共形阵列天线的实际尺寸；对于n元线型排列共形阵列天线，则共形阵列天线的总长度为larray＝n*lt，宽度为warray＝wt，其中n为阵元贴片的个数。
18、进一步的，得到所述的形变曲线公式具体步骤为：在所述共形阵列天线坐标系内，建立基于有限元法的共形阵列天线结构静力学分析方程为：
19、kδ＝f (5)，
20、式中：
21、k——刚度矩阵；
22、δ——壳单元节点的位移向量；
23、f——环境载荷在节点上的作用力向量；
24、求解所述结构静力学分析方程，得到在外部载荷f作用下所述共形阵列天线的位移向量δ，并根据壳单元各个节点在所述共形阵列天线坐标系内的位移偏移量，得到变形之后的各个节点的坐标(xi,yi)为：
25、
26、式中(xi,yi)和分别表示第i个节点在所述坐标系内xoy面内的理想状态下的坐标和力f作用下的位移坐标，(δix,δiy)分别为所求出的位移向量δ中对应节点i的x方向和y放向位移量，nnode为将天线阵列划分为壳单元后的节点总个数；
27、然后，采用最小二乘法将各个离散的点拟合成一条曲线，即得到直线方程：
28、
29、为使直线方程与所有离散的点的逼近误差最小，则将第i个点的逼近误差值定义为：
30、
31、进而得到全部节点的差值p的平方和，使其最小可表示为：
32、
33、是希望等于，即希望差值的平方和最小；
34、构造为如下多项式形式，即得到形变曲线表达式(10)为：
35、
36、其中，若使最小，即找到多项式系数ak(k＝0,1,2，...，m)使p最小；
37、根据求极值条件，令：
38、
39、移项后得到公式(12)：
40、
41、求解公式(12)后即得到多项式系数ak(k＝0,1,2...m)，并带入形变曲线表达式(10)得到形变曲线公式。
42、进一步的，所述的步骤二具体为：
43、步骤21：在所述二次曲线平面xoy中所述二次曲线旋转或者平移后与x轴相交的曲线段loc本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，在步骤一之前还包括：根据给定的工作频率，选取所述共形阵列天线的阵元为微带贴片天线，计算共形阵列天线的尺寸，并根据计算得到的尺寸进而得到所述共形阵列天线的模型及形变模型。
3.如权利要求2所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，所述共形阵列天线尺寸计算步骤具体为：
4.如权利要求1所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，得到所述的形变曲线公式具体步骤为：在所述共形阵列天线坐标系内，建立基于有限元法的共形阵列天线结构静力学分析方程为：
5.如权利要求1所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：
6.如权利要求1所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，还包括通过所述坐标系中建立所述共形阵列天线的模型，根据方向图叠加原理计算得到了理想状态下的共形阵列天线的E面方向图；
7.如权利要求1-6任一所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，所述共形阵列天线在x轴向的形变分为对称形变和不对称形变；对称形变和不对称形变是指所述共形阵列天线的整个阵列形变是一个对称或不对称的弧度形变。
8.如权利要求1-6任一所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，步骤一中，所述共形阵列天线坐标系具体是在电磁仿真软件中，以共形阵列天线内的首个阵元底面边缘的起始点为原点o，所述沿所述共形阵列天线阵元贴片长的延伸方向为x轴，沿阵元贴片宽的延伸方向为z轴，过原点o并垂直于xoz平面的方向为y轴，y轴正方向为由所述共形阵列天线的底面指向表面的方向，从而建立的共形阵列天线坐标系。
9.如权利要求1-6任一所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，步骤二中，所述二次曲线平面是以二次曲线的顶点为坐标原点o点，建立的二次曲线平面xoy。
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【技术特征摘要】
1.一种形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，在步骤一之前还包括：根据给定的工作频率，选取所述共形阵列天线的阵元为微带贴片天线，计算共形阵列天线的尺寸，并根据计算得到的尺寸进而得到所述共形阵列天线的模型及形变模型。
3.如权利要求2所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，所述共形阵列天线尺寸计算步骤具体为：
4.如权利要求1所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，得到所述的形变曲线公式具体步骤为：在所述共形阵列天线坐标系内，建立基于有限元法的共形阵列天线结构静力学分析方程为：
5.如权利要求1所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，所述的步骤二具体为：
6.如权利要求1所述的形变共形阵列天线的方向图快速估算方法，其特征在于，还包括通过所述坐标系中建立所述共形阵列天线的模型...
【专利技术属性】
技术研发人员：宗亚雳，王杰，房师琪，王康，崔彦津，马昕宇，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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